O型橡胶圈动密封结构的有限元分析

郭丽霞　关静岩

摘 要：建立深海旋转轴O型橡胶圈动密封结构三维模型，采用ABAQUS /Explicit非线性有限元方法计算了O型橡胶圈在工作水压和工作转速下的接触压力。通过这些研究，确定了O型橡胶圈接触压力的分布规律，分析了水压和工作转速等典型参数对密封性能的影响。

关键词：接触压力；温度；密封；O型橡胶圈

中图分类号：TB42 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.03.019

在早期，国内报道的深海旋转轴密封主要是从承压型密封方面来考虑的。1982年，我国的张训义就提出了深海动态密封，主要是分析O型密封圈在深海环境下1 000 m内的往复运动、旋转运动和振荡运动的动态密封情况；1993年，国内学者从材料的选择、结构特点和经济效益等方面报道了机械密封在水下机器人中的应用；1994年，美国报道了一种用于深海旋转轴的双重密封专利。

深海承压型密封相当于常压环境中使用的高压密封，它的不同之处在于，常压下的高压密封一般可以防止流体从设备内部向外部泄漏，而深海密封是防止外部流体沿密封件进入设备内部，并且其允许的泄漏量很小。

推进系统的主要功能是为水下装备的航行提供所需要的推进动力，其密封的可靠性直接影响装备作战任务的完成。针对推进系统无润滑密封问题，应用可靠性技术、材料学、动密封技术和磨损理论等，分析了该系统的动态特性和失效机理，并建立系统有限元模型，用于研究不同载荷和环境条件下系统密封件的变形情况和密封特性。

1 计算模型

1.1 橡胶材料的本构关系

橡胶是一种各向同性、可高度变形、高弹性和压缩性较小的材料，其不仅具有类似于金属材料的弹性，还具有类似于黏性液体吸收能量的性质。同时，由于橡胶材料的特性非常复杂，其材料和几何特性均呈非线性变化，在实际应用中，往往还存在着边界条件复杂和接触非线性等问题。所以，橡胶结构的有限元分析属于非线性有限元范畴，其非线性突出地表现在以下3方面：①橡胶材料的应力应变关系是一个非常复杂的非线性函数，用应变能函数表示；②橡胶在力的作用下，一般伴随着大位移、大应变，其应变位移关系也是非线性函数；③密封计算的边界条件非常复杂，必须包含接触面的受力计算，呈非线性关系。

对于橡胶应变能函数，一般采用穆尼-瑞林（Mooney-Rivlin）模型来描述，其函数表达式为：

W=C1（I1-3）+C2（I2-3）. （1）

式（1）中：W为应变能密度；C1，C2为材料Mooney-Rivlin系数；I1，I2为第一、第二应变张量不变量。

本文中，C1，C2分别为1.87，0.47.

1.2 有限元模型建立

根据密封系统的结构特点、密封件实际尺寸和沟槽尺寸，建立具有刚柔接触的密封系统有限元模型，如图1所示。密封件的材料为橡胶材料，近似为不可压缩超弹性体，密封套固定约束，密封套和外轴均与橡胶圈接触。

对此模型进行网格划分，其结果如图2所示。图2中，模型全部采用六面体单元，并且在外轴外侧划分4层较密网格。这是因为这部分单元与密封圈、密封套接触，存在应变，而外轴内部几乎不存在变形。

2 工作水压和工作转速对密封性的影响

2.1 O型橡胶圈密封工作原理

O型橡胶圈是一种挤压型密封。挤压型密封的基本工作原理是依靠密封件发生弹性变形，在密封接触面上造成接触压力，接触压力大于被密封介质的内压，则不发生泄漏；反之，则发生泄漏。在动密封系统中，O型橡胶圈与外轴、密封套有3个接触面，如图3所示。根据O型橡胶圈的密封工作原理，3处接触面的接触压力皆大于工作水压时，才能达到密封效果。因此，在以下的分析中，分别计算、分析了O型橡胶圈3个接触面在指定工作水压和工作转速下的接触压力，并判定O型橡胶圈是否可以达到密封效果，进而确定工作水压和工作转速对O型橡胶圈密封性能的影响。

2.2 工作水压

在此次分析中，分别在水压为0 MPa、0.5 MPa、1 MPa、1.5 MPa、2 MPa时分析动密封系统，并得出在各水压下O型橡胶圈所承受的接触压力，如图4所示。

从图4的分析结果中可以看出，当水压为0 MPa、0.5 MPa时，只有Ⅰ、Ⅲ接触面上的接触压力较为明显。随着水压的增大，在水压达到1 MPa后，Ⅱ接触面上的接触压力逐渐明显且趋于稳定，各水压下O型橡胶圈所承受的接触压力也是在不断增大的。至于接触压力不均，则是因为在外轴运动的过程中，所产生的波动可能会导致接触压力的受力不均，并且橡胶圈的爬行可能会加剧这种情况的发生而引起的。但是，这种情况只是瞬间发生的，因此，其平均接触压力即可用来判定其密封性能。经过计算，各水压下其平均接触压力均大于其计算水压，如表1所示，满足密封的要求。为了更严谨的定义工作水压对O型橡胶圈密封性能的影响，下面简要分析各水压下橡胶圈的温升情况，其结果如表1所示。从其计算数据中可以看出，随着水压的增大，橡胶圈的升温幅度在不断加大，并且加速了橡胶圈的老化速度。因此，用工作水压来增强橡胶圈的密封性能仅限定在一定的水压下。

2.3 工作转速

在此次分析中，分别在转速V=0 r/min、191.5 r/min、383 r/min、574.5 r/min、766 r/min时分析动密封系统，并得出在各转速下O型橡胶圈所承受的接触压力，如图5所示。

从图5的分析结果中可以看出，各转速下O型橡胶圈的接触面大致相同。这主要是因为在加载转速前已经加载了水压，并且各转速下水压恒定。同时，从图5中的数据中可以看出，橡胶圈在各转速下所承受的接触压力变化不大，这点也可以从其平均接触压力上看出，如表2所示。由此可见，在工作过程中，O型橡胶圈所承受的接触压力主要与工作水压有关，而工作转速对O型橡胶圈所承受的接触压力影响不大。

橡胶圈的密封性能还受橡胶老化问题的限制。为了进一步说明转速对橡胶圈密封性能的影响，分析其在各转速下的温升情况，其结果详见表2. 从表2中的数据中可以看出，随着转速的不断加大，橡胶圈升温幅度也在不断提高，从而加速了橡胶圈的老化速度，损害橡胶圈的密封性能，降低其使用寿命。

3 结论

从O型橡胶圈在不同工作水压和工作转速的分析结果中可以看出，当只考虑接触压力这一密封性能指标时，增大工作水压可以提高密封性能，而增大转速则对接触压力的影响不大。同时，考虑到温度变化对橡胶老化的影响，计算了橡胶圈在不同工作水压和工作转速下的升温幅度。分析结果表明，工作水压和工作转速都会导致橡胶圈温度升高，加速橡胶圈的老化速度。因此，如何降低橡胶圈在工作过程中的升温问题还有待进一步研究。

参考文献

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〔编辑：白洁〕